История электротехники

межгосударственная электропередача Колумбия — Панама — Коста-Рика — Никарагуа — Гондурас — Сальвадор — Гватемала — Мексика в Центральной Америке;

электропередача Китай — Индия и ряд других.

5.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Концентрация производства электроэнергии. Первые электростанции (блок-станции) появились как установки для питания электроосветительной сети в конце 70-х годов XIX столетия.

Блок-станции вырабатывали исключительно постоянный ток и могли обеспечить электроэнергией районы, расположенные на расстоянии до 1 км. Поэтому постоянный ток в то время быстро исчерпал свои возможности.

Применение постоянного тока в большой энергетике в определенной мере нашло место в передаче электроэнергии на большие расстояния, но и в этой области вопрос не решен однозначно: на практике основные потоки электроэнергии передаются во всем мире именно переменным током. Весьма энергичные попытки выработки электроэнергии постоянного тока в больших количествах предпринимались на основе МГД-преобразования в 60–70-х годах XX в., но они не привели к успеху.

Трехфазная система как основа производства, передачи и распределения электроэнергии оказалась жизнеспособной не только потому, что синхронные генераторы допускают невиданный в технике рост мощностей от 10 кВт в начале развития до 1 ГВт к 80-м годам XX столетия. Целый ряд технических особенностей трехфазного переменного тока определил его широкое применение.

Это прежде всего преобразование с помощью трансформаторов электроэнергии, вырабатываемой генераторами, в электроэнергию более высокого напряжения для передачи ее на большие расстояния и электроэнергию более низкого напряжения для обеспечения местных потребителей и собственных нужд станции; создание простых, дешевых электродвигателей от самых малых до очень мощных 10 МВт и более; достаточно простое решение задачи коммутации больших токов; применение переменного тока в сочетании с управляемыми тиристорными установками для систем возбуждения синхронных машин (возбудители переменного тока и т.п.). Можно сказать, что трехфазный ток обладает исключительно высокими свойствами преобразуемости и управляемости.

Технические особенности переменного тока определили на все последнее столетие структуру электростанции:

выработка электроэнергии синхронными генераторами на напряжение 6–20 кВ (меньшее значение соответствует ранним маломощным

синхронным генераторам, большее — современным, сверхмощным);

распределение электроэнергии на генераторном напряжении для питания близко расположенных электроприемников;

трансформация электроэнергии на более низкое напряжение для питания электроприемников собственных нужд станции;

трансформация электроэнергии на более высокое напряжение для питания электроприемников, удаленных от станции.

Соответственно на электростанции сооружаются несколько распределительных устройств на разных ступенях напряжения. Тем самым станция на современном этапе развития в силу гигантской концентрации производства электроэнергии является мощным узлом распределения электроэнергии, основным звеном современных электроэнергетических систем. Открытие и внедрение трехфазной системы переменного тока было фундаментальным достижением европейской цивилизации.

Если первые электростанции сооружались на основе агрегатов мощностью порядка 100 кВт, то в 80-е годы XX столетия были освоены агрегаты мощностью 1,2 МВт — рост за столетие в 10 000 раз. Сам по себе рост мощностей вытекает из закона роста производительных сил общества. Поражает то, что такой рост был достигнут на основе применения синхронных генераторов и практически при неизменной структуры станции.

В силу изложенного основным законом развития электростанций, определяющим технические решения по оборудованию, системам контроля и управления, является рост мощностей агрегатов станции, повышение мощностей самих станций, концентрация производства электроэнергии.

В последнее время станция, по существу, срастается с энергосистемой. Это находит свое выражение, в частности, и в том, что главная схема станции на современном этапе уже не может проектироваться без учета структуры электрической сети энергосистемы, в которой она работает. Этот процесс, не осмысленный пока в полной мере, будет развиваться и дальше.

Перспективы дальнейшего роста мощностей синхронных генераторов, по крайней мере, в два-три раза, вполне реальны, но первичные источники энергии электростанций будущего — сложнейшая проблема современности, обсуждение которой выходит за рамки данной книги.

Последним достижением дореволюционной России было сооружение под руководством Р.Э. Классона в 1914 г. крупнейшей в то время электростанции на торфе вблизи г. Богородска и электропередачи напряжением 70 кВ до Москвы. На станции были установлены два турбогенератора мощностью 7500 л.с. частотой вращения 1500 об/мин напряжением 6600 кВ. В Москве линия приходила на Измайловскую подстанцию, где электроэнергия распределялась по городской кабельной сети. Эта электростанция сыграла большую роль в обеспечении электроэнергией Москвы во время первой мировой войны, революции и гражданской войны. После гражданской войны электроэнергетика стала основным стержнем восстановления и развития промышленности страны. Первые электростанции в России сооружались исключительно на зарубежном оборудовании. Но уже начиная с 1931 г. практически все станции оснащались отечественным оборудованием серийного производства, а в 1937 г. на заводе «Электросила» был построен турбогенератор мощностью 100 МВт Т2–100–2 — крупнейшая в то время электрическая машина с частотой вращения 3000 об/мин. Появление этой машины явилось для большинства зарубежных электротехников полной неожиданностью.

Головные блоки мощностью 800 МВт на электростанциях были освоены в СССР к началу 1968 г., а еще через 10 лет — блоки 1000 МВт.

Для того чтобы представить изменение уровня технологии на станциях с блоками 800 МВт, напомним, что номинальный ток статора турбогенератора ТГВ-800 составляет 22,65 кА, а номинальный ток возбуждения — 6720 А. При таких токах канализация, коммутация электроэнергии, управление режимами, контроль за состоянием и автоматика требуют решения совокупности сложнейших технических задач не только при создании соответствующего оборудования, но и при разработке схем выдачи энергии в систему.

Многообразие электрических станций. Закон концентрации производства электроэнергии был бы неполон без отражения всего многообразия видов электростанций. Рост этого многообразия в связи с развитием электроэнергетики имеет не только иллюстративное значение, но может служить и эвристическим принципом в дальнейших разработках проблемы.

Тепловые и гидравлические электростанции возникли одновременно. Но если ГЭС развивались в основном в направлении роста мощностей, то ТЭС почти сразу разделились на два подвида, заметно отличающиеся как по схемам электрических соединений, так и по тепловой части: конденсационные (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Первые предназначены исключительно для выработки электроэнергии, вторые — для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты. Экономическая целесообразность последних определяется тем, что при расположении ТЭС в непосредственной близости от потребителей теплоты весьма выгодно одновременно с отпуском потребителям электроэнергии поставлять им и пар для технологических нужд (а таких технологий много) и отопления зданий — теплофикации. В СССР началом теплофикации принято считать 25 декабря 1924 г. — пуск теплопровода от 3-й Ленинградской государственной районной электростанции. Этим было положено начало развитию ТЭЦ.

Следующий шаг в развитии электрификации был сделан через 30 лет. 27 июня 1954 г. в г. Обнинске (Российская Федерация) была пущена в опытную эксплуатацию первая в мире атомная станция (АЭС). Это рассматривалось в те времена как начало новой эры энергетики. И действительно, энергетика вступила на новый, неизведанный путь, и только 30 лет спустя по-настоящему было осознано, насколько сложным и труднопредсказуемым оказался этот путь.